某钢管厂退役场地土壤重金属污染特征分析

罗泽娇，李 冉,Mohammed A.S.Abdalla,2

(1.中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室，湖北 武汉 430074; 2.巴赫立大学农学院土壤与水科学系，北苏丹 喀土穆)

某钢管厂退役场地土壤重金属污染特征分析

罗泽娇1，李 冉1,Mohammed A.S.Abdalla1,2

(1.中国地质大学生物地质与环境地质国家重点实验室，湖北 武汉 430074; 2.巴赫立大学农学院土壤与水科学系，北苏丹 喀土穆)

选择武汉某钢管厂退役场地土壤为研究对象，通过采集场地土壤样品，测试了样品的pH值以及锌、铜、铅和镍等重金属元素含量，分析了重金属污染物在该区域土壤中的水平与垂直分布特征，查明了土壤受重金属污染的现状，并揭示了生产布局等污染源、地表特征和土层分布特征对土壤重金属污染的影响。结果表明：研究区域土壤主要受到铬、铜、铅、镍、锌的污染，但以电镀生产所产生的重金属污染最为严重，电镀锌引起的污染最为突出；重金属污染严重区域主要集中在镀锌炉烟囱、三废利用车间及废水处理车间，土壤中锌的最高浓度达23 700 mg/kg，超出湖北省土壤背景值最大值的83%；其他车间除靠近电镀区域的花坛内表层土壤受到一定程度的锌污染外，其余部位土壤受污染较少；土壤铬、铜、铅、镍的污染深度一般为0.2～0.4 m,污染的最大深度达到1.2 m；锌在大部分点位污染深度达到0.8 m，有的甚至达到1.4 m，主要局限在回填土层和原始沉积土层的表层，其污染物迁移到原始黏土层后，高浓度污染区域在黏土内垂向上迅速衰减，锌平均衰减量为14 000 mg/(kg·m)。该研究可为同类型场地土壤金属污染调查、修复提供参考依据。

土壤；重金属污染；锌污染；某钢管厂退役场地

近些年来，随着城市化进程的发展、产业结构布局的调整以及城市环境保护的需要，大量污染较严重的工厂和企业逐步从一些城市的中心城区撤离，以便在保护城市环境的同时，为城市的发展提供宝贵的土地资源。但是，城市中心大量工业企业退役场地的土壤环境质量问题突显，很多退役场地土壤污染问题突出且形势严峻，如2006年湖北某房地产建设工地(原武汉市农药厂)和2004年北京市地铁工程宋家庄建筑工地(原北京市红狮涂料厂)等[1]，这些退役场地土壤污染问题使得土地资源的再利用受到严重影响。因此，城市工业场地的土壤污染程度的调查与修复已成为当前土壤环境污染与防治的重要内容之一，工业企业退役场地环境污染问题得到高度重视，国家环境保护部因此而颁发了“关于加强工业企业关停、搬迁及原址场地再开发利用过程中污染防治工作的通知”(环发[2014]66号文件)。

机械加工厂是土壤重金属污染的重要来源，机械加工过程中的焊接、电镀、热处理、涂漆等工艺会产生很多含有重金属的污染物，如电镀工艺产生的典型金属铜(Cu)、镍(Ni)、镉(Cd)、铬(Cr)、铅(Pb)、锌(Zn)等[2-5]，除了工艺过程中的跑、冒、滴、漏外，其余约有4%的重金属污染是以污泥和废水的方式排放到环境中而造成的[6]。由于工厂的地面条件与农田土壤不同，工厂地面为了保证交通运输和机械制造设备的承载需求，布设了一定厚度的混凝土层，该土层对污染物具有相对的阻隔作用，但重金属粉尘、含重金属的废水会以其独特的方式进入土壤层中，造成土壤重金属污染。本文将通过对某机械加工厂退役场地土壤环境污染的详细调查，分析其土壤的重金属污染程度、类型及其分布特征，以为同类型污染场地的污染调查与修复和土地资源持续利用提供依据。

1 研究区概况

研究区域原为某钢管生产厂，该厂成立于1980年，于2012年4月关闭，服役历时30年，占地面积124 200 m2(约62亩)。钢管厂主要产品为高频焊接钢管、热镀锌钢管及精密冷弯型钢系列等。工厂的热镀锌车间投产于1980年，运行十多年后因设备及环保设施损坏而停产；1996年，引进半机械化热镀锌生产线。本次调查时，场地已被夷为平地，在原工厂地面上覆盖着建筑拆除后的建筑垃圾。

研究区域地理位置为东经114°15′16″、北纬30°32′12″，属亚热带湿润气候地区，年平均气温约17℃，年平均降雨量为1 465.9 mm，但年降雨量分配不均，春季占全年降雨量的39.4%,夏季占全年的26.2%，多年平均蒸发量为1 326 mm,年平均相对湿度为77%。场地分布的地下水主要为赋存于上部填土层中的上层滞水以及下部砂层中的承压水和基岩裂隙水，两者之间以黏土作为隔水层，无水力联系，其中上层滞水受地表水、大气降水补给，其稳定水位埋深约为0.5～1.0 m。通过原工厂的车间布局与工艺比对，初步确定主要污染区域在电镀生产线、三废回收车间，其中切割、酸洗、水洗、热镀锌、钝化工序为主要产污环节。切割会产生铁屑和切割液的排放，酸洗会产生大量废酸液的排放，水洗会产生大量水洗废液，热镀锌过程会因镀锌液的泄漏而污染环境。通过对上述生产工艺的分析，确定该场地的主要特征污染物是铜、锌、铅、铬、镍、砷等重金属类物质。

2 土壤样品采集与分析方法

2.1 采样点布局

为查明土壤重金属的迁移扩散规律，在电镀区域沿重点污染源向外呈辐射状设置采样点，其他车间则在车间外的花坛、绿地上布设采样点位；采样点垂直方向上的取样深度则根据污染源的位置、可能迁移的方向、土层结构和水文地质条件等来确定，以原始地面或构筑物底板为基准，取样深度设定为0～0.2 m、0.2～0.4 m、0.4～0.6 m、0.6～0.8 m、0.8～1.0 m、1.0～1.2 m、1.2～1.4 m。基于上述原则，在该调查区域设置了31个土壤采样点,采样点位置及相关说明见图1和表1。

采样点编号位置取样深度/m采样点编号位置取样深度/m10.0～0.617焊管车间0.2～1.020.0～1.418镀锌车间0.1～1.63三废综合利用车间0.0～1.019镀锌炉0.8～2.040.0～0.420焊—机加工0.0～0.250.0～1.221焊管车间0.2～1.660～0.422镀锌车间0.6～1.27废水治理车间0.0～1.423煤场、焊管车间0.0～1.080.0～0.624机修厂0.2～1.090.0～0.825原料车间0.2～0.810排水沟0.0～0.626仓库0.6～1.2110.0～1.227原料车间0.2～1.2120.2～1.228仓库0.0～1.213镀锌炉烟囱0.0～1.029配电房、原料车间0.0～1.0140.0～1.0300.0～1.4150.0～0.631原料车间0.2～1.516溶剂池、清洗池0.0～0.4

2.2 现场采样方法

在现场采集土壤样品时，第一步是利用推土机将地面上堆积的建筑垃圾推开，以露出原始地面；第二步是将图上设计的采样点位利用科利达双频双星GPS接收机，并采用当地COPS参考站进行精确定位；第三步是利用挖机、手钻等方式采集土壤样品。采样过程参考《土壤环境监测技术规范》(HJ/T 166—2004)进行[7]。将土壤样品按照样品特征、分布深度分为回填土层、原始沉积土层的表层和原始非扰动黏土层。土壤样品采集按照回填土层垂直深度多点混合、原始地层原状土取样的思路进行，并将采集的土壤样品储存于封装袋后贴好标签，并做好记录送至实验室分析。

2.3 样品分析方法与质量控制

将采集的土壤样品充分风干和碾磨，后过孔径0.85 mm(20目)的尼龙筛；过筛后的土壤样品全部置于无色聚乙烯薄膜上，并充分搅拌混匀，粗磨样直接用于土壤pH值等项目的分析，样品粒径研磨至0.15 mm(100目)后用于重金属含量测定。

土壤样品测试指标及分析方法见表2。土壤样品测试过程中均做全程空白，以消除在消解[8]和测试过程中可能带入的污染；每批样品做了20%的平行样，并同步分析了国家标准土壤样品(地球物理地球化学勘察研究所IGGE，GSS-13、GSD-5a、GSD-7a)，所占比例为10%，并控制样品分析的精密度和准确度。重金属元素平行样的相对偏差，锌在±5%以内，铬、铜、铅、砷在±10%以内，镍在±20%以内，均在允许的最大相对偏差范围内；标准土壤样品的相对误差在±15%范围内。

表2 土壤样品测试指标及分析方法

3 场地土壤重金属污染特征分析

3.1 场地土壤重金属污染状况分析

表3为场地土壤重金属元素含量的分析结果。

表3 场地土壤污染物分析及评价标准参考值

注：整个调查区域设置31个采样点，取样104个；超标样品数指超过《展览会用地环境质量评价标准》A级的样品个数；“N.A.”表示无参考数据。

由表3可以看出：场地土壤重金属元素砷、铬、铜、镍、锌均有超过国家标准(《展览会用地环境质量评价标准》(HJ 350—2007)(以下简称《展》)的现象，其中锌超标样品数达到82个，涉及点位28个；场地土壤重金属元素铬、铜、铅、镍、锌还超过了湖北省土壤重金属元素含量背景值，这说明工厂在钢管生产过程中，金属的切割、电镀等造成了场地土壤重金属的污染；场地土壤重金属的污染深度一般为0.2～0.4 m，污染的最大深度达到1.2 m；场地土壤重金属元素铜含量检测值在9.6～293 mg/kg之间，镍含量在7.0～159 mg/kg之间，砷含量在0.8～31.6 mg/kg，铬含量在40.4～478 mg/kg之间，铅含量在29.1～138 mg/kg之间，均在测量误差的允许范围内，可见取样与测试过程没有造成样品的污染。另外，通过比较场地土壤各种重金属的污染程度可以看出，铬、铜、铅、镍都远远低于锌的污染程度，对该退役场地来说，锌污染问题最为突出。因此，本文以锌的污染为代表进行详细分析，以揭示全厂区土壤重金属污染特征。

3.2 场地土壤锌污染分析

场地土壤各监测点锌含量在46.6～23 700 mg/kg之间，监测的104个土壤样品中有49个样品检测值超过《展》A级标准限值(200 mg/kg)，但小于B级标准限值(1 500 mg/kg)；有31个样品的监测值超过《展》B级标准限值，且涉及有17个点位，分别是2、3、5、6、7、8、9、11、12、13、14、15、16、17、21、25、31，这些点位主要在电镀生产线和三废回收车间。

3.2.1 场地土壤锌污染的平面分布特征

场地土壤锌污染的平面分布主要集中在三废综合利用车间、废水处理车间、洗涤车间、镀锌炉烟囱附近以及车间周围的绿地上。在这些区域，锌污染平面分布特征普遍表现为随着远离污染源，土壤锌含量迅速降低，但各区域污染物迁移扩散的机制不同。在镀锌炉烟囱附近，锌污染来自于烟囱锌除尘器中逃逸的锌尘，它们在烟囱附近以干、湿沉降形式沉降，距离烟囱不同距离，锌沉降量不同(见图2)，且表现为随距离的增加锌沉降量迅速降低，土壤锌最高浓度可达到23 700 mg/kg，为本次调查中土壤锌最高含量。这是因为该烟囱附近地表是广场砖，砖底部为煤渣层，这样的地表条件有利于雨水下渗，而不是在地表径流的驱动下向下游集中，也难以在清洁工人的清扫下人为集中，这就造成锌就地沉降后并随雨水下渗进入土壤，而在水平方向上扩散有限，主要集中在污染源附近。在三废综合利用车间和污水管道附近，锌污染扩散也表现出类似规律，但是污染物以废水等形式在填土层中横向扩散，如2号点位靠近三废综合利用车间，土壤锌最高浓度为4 270 mg/kg(地面下0.6～0.8 m)，距离2号点位3 m的1号点位土壤锌最高浓度为1 290 mg/kg(地面下0.2～0.4 m)；污水管道附近的9号点位，土壤锌最高浓度达到3 450 mg/kg(地面下0.6～0.8 m)，远离管道的10号点位，土壤锌最高浓度为1 070 mg/kg(0.0～0.2 m)。含锌的废水在填土层中横向扩散时，由于受到填土层中黏性土的吸附、拦截，使得土壤中锌含量随着距离污染源增大而降低。

靠近电镀环节的车间外绿化带上如17号和21号点位，表层土壤锌含量普遍高(如17号点位土壤锌最高浓度为1 740 mg/kg、21号点位土壤锌最高浓度为1 590 mg/kg)，而其他金属没有表现出异常，说明了锌尘通过干、湿沉降而直接进入裸露的土壤中，或由工人鞋底携带锌尘到车间周围路面上，在这些地面上、屋顶上降落的锌尘随地表径流排泄到绿化带中，使得锌的扩散集中在绿化带的表层或次表层，或者锌尘冲刷到下水道中沉积下来，工人在清扫下水道淤泥时往往就地堆置在绿化带中，从而造成绿化带成为工厂重金属污染的主要区域。但远离污染源的绿化带则不具备这些规律。

3.2.2 场土土壤锌污染的垂直分布特征

含锌废水在回填土的多孔介质中也可随浅层地下水的水平运动而发生迁移，但受水力梯度的影响较大。进入土壤的锌尘最先被回填土层中夹杂的黏性土所拦截，余下往深部渗透，渗透的深度与回填物厚度及黏性土埋深有关，在黏土层中锌含量迅速降低，若以单位距离内土壤锌浓度的衰减量[mg/(kg·m)]来表征[(C1-C0)/l]，如13号取样点位，在0.6～0.8 m的黏土层中锌浓度为5 470 mg/kg，在0.8～1.0 m的黏土层中锌浓度为2 060 mg/kg，其衰减量为17 000 mg/(kg·m)；14号取样点位，在0.6～0.8 m的黏土层中锌浓度为3 250 mg/kg，在0.8～1.0 m的黏土层中锌浓度为860 mg/kg，其衰减量为12 000 mg/(kg·m)。由此可见，锌在黏土层的衰减量很大，平均衰减量为14 000 mg/(kg·m)。

但是，场地有些部位锌在垂直深度的分布特征则与锌的迁移扩散无关，而是受人为活动如设备的改造等干扰影响，表现为无明显的垂直分布规律。

4 结 论

(1) 该机械加工厂在钢管生产过程中，金属的切割、电镀等造成场地区域土壤重金属铬、铜、铅、镍、锌的污染，但以电镀生产所产生的重金属污染最为严重，电镀锌引起的污染最为突出。

(2) 土壤重金属污染严重区域主要集中在镀锌炉烟囱、三废利用车间及废水处理车间，其中13号点位的锌浓度高达23 700 mg/kg，超出湖北省土壤重金属元素背景值最大值的83%，其他车间除靠近电镀区域的花坛内表层土壤受到一定程度的锌污染外，其余部位土壤受污染较少。

(3) 土壤铬、铜、铅、镍的污染深度一般为0.2～0.4 m，污染的最大深度达到1.2 m。锌在大部分点位污染深度达到0.8 m，有的甚至达到1.4 m，但主要局限在回填土层和原始沉积土层的表层，其污染物迁移到原始黏土层后在垂向上迅速衰减，锌平均衰减量为14 000 mg/(kg·m)。

Characteristics of Heavy Metal Pollution Soil in the Retired Field of a Mechanical Processing Factory

LUO Zejiao1,LI Ran1,Mohammed A.S.Abdalla1,2

(1.StateKeyLaboratoryofBiogeologyandEnvironmentalGeology,ChinaUniversityofGeosciences,Wuhan430074,China;2.DepartmentofSoilandWater;CollegeofAgriculture,UniversityofBahri,Khartoum，North-Sudan)

Using surface features and the soil layer distribution as indicators to examine the current situation of the polluted soil by heavy metals and to provide a scientific reference for the same field with the objective of suggesting a remedial technique,this paper selects a retired machinery factory at Wuhan City as an investigation site to study its impact on the surrounding soil.The paper collects soil samples and determines pH and the concentrations of the heavy metals (Zn,Cu,Pb and Ni,etc.) in soil,and then analyzes the horizontal and vertical distribution of pollutants and reveals the influence of pollution sources such as the production layout,surface characteristics and the distribution characteristics of soil layers on soil heavy metal pollution.The results show that the site is mainly polluted by Cr,Cu,Pb,Ni and Zn;the most serious pollution is produced by electroplating production and the most prominent pollution caused by electric galvanized.The most polluted areas are mainly concentrated in the galvanizing furnace chimney,waste utilization company and wastewater treatment factory.The highest concentration of Zn in soil reaches 23 700 mg/kg which is beyond the maximum value of the reference of Hubei province at the rate of 83%.In other workshops,except the surface soil near the plating areas polluted to a certain degree by Zn,the rest parts are less polluted.The depth of the pollutants Cr,Cu,Pb and Ni is generally between 0.2 and 0.4 m,and the maximum depth is 1.2 m.The pollution by Zn observed in many locations reached to the depth of 0.8 m to up to 1.4 m,and is mainly limited to the surface layer of backfill soil and the top of original sedimentary soil.When the pollutants migrate to the original clay layer, the polluted area of high concentration of reveals a rapid vertical decrease of Zn within the clayey soil,with an average decrease of 14 000 mg/(kg·m).

soil;heavy metal pollution;zinc pollution;retired field of a mechanical processing plant

1671-1556(2015)04-0075-07

2015-01-23

2015-03-28

武汉市高新技术成果转化及产业化专项项目(2013060803010403)

罗泽娇(1970—)，女，博士，教授，主要从事土壤与地下水污染的调查、风险评价与修复等方面的研究。E-mail：zjluo@cug.edu.cn

X53

A

10.13578/j.cnki.issn.1671-1556.2015.04.013